Способ получения керамического материала на основе AlMgB14 Российский патент 2023 года по МПК B22F3/23 B22F3/12 C22C1/05 C04B35/00 

Изобретение относится к способам получения сверхтвердых керамических материалов, а именно к способам получения сверхтвердых керамических материалов на основе AlMgB14, и может быть использовано для изготовления конструкционных материалов и мишеней для магнетронного распыления покрытий, повышающих износостойкость режущих инструментов, деталей машин (валов, подшипников, шестерней), турбин, насосного оборудования и других износостойких, химически инертных деталей.

Известен способ получения сверхтвердого керамического порошкового материала AlMgB¹⁴, заключающийся в спекании исходных порошков алюминия, магния и бора в высокотемпературной вакуумной печи с предварительной механической активацией в планетарной мельнице (CN105755304A 2014-12-16, C22C-001/05). Порошки алюминия, магния и бора смешиваются в пропорции Al : Mg : B - (1.0÷1.2):1.0:6.23, механически измельчаются в течение 2-5 часов со скоростью вращения барабанов 250÷350 об/мин. Затем полученная порошковая смесь засыпается в графитовый резервуар и помещается в вакуумную печь. Температура спекания составляет 1300÷1400 °C, время выдержки - 30÷60 мин. Недостатками этого способа являются большая продолжительность спекания порошкового материала, что приводит к росту зерна AlMgB₁₄ и снижению твердости конечного материала. Недостатком данного метода также является использование отдельных порошков алюминия и магния в качестве исходных компонентов, на поверхности которых присутствуют плотные оксидные пленки, что в итоге приводит к росту примесной фазы MgAl₂O₄, также снижающей твердость конечного материала.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ получения поликристаллического материала AlMgB14 методом горячего прессования порошковой смеси Al-Mg-B с предварительной механической активацией порошковой смеси Al-Mg-B (US6099605A, 1999-06-07, C04B-035/58, C09K-003/14). Порошок бора механически измельчается в течение 15 минут в вибрационной мельнице. Затем порошки алюминия, магния и бора смешивают в пропорции Al : Mg : B - 1:1:14 и механически измельчают в течение 20 часов в вибрационной мельнице в атмосфере гелия. Полученную порошковую смесь спекают методом горячего прессования в диапазоне температур 1300÷1500 °C в вакууме. Способ позволяет получить керамические материалы на основе AlMgB14 с содержанием фазы AlMgB14 - 90 масс. % и твердостью - 27÷32 ГПа. Недостатками такого способа является большая продолжительность механической активации порошковой смеси Al-Mg-B, загрязненность примесными фазами MgAl₂O₄ и FeB₄₉, что значительно ухудшает свойства материала (твердость и коэффициент трения) [Lewis T. L. et al. Al2MgO4, Fe3O4, and FeB impurities in AlMgB₁₄ //Materials Science and Engineering: A. - 2003. - Т. 351. - №. 1-2. - С. 117-122].

Задачей настоящего изобретения является разработка менее энергозатратного, простого в аппаратурном оформлении, нетрудоемкого способа получения сверхтвердого керамического материала на основе химического соединения AlMgB14 высокого качества.

Технический результат состоит в увеличении содержания целевой фазы AlMgB14 в конечном продукте и снижении примесных фаз MgAl₂O₄, FeB49, Fe, Fe3O4 в конечном материале.

Технический результат достигается тем, что способ получения керамического материала на основе химического соединения AlMgB14 включает перемешивание порошков исходных компонентов, механическую активацию полученной порошковой смеси и последующее спекание методом горячего прессования.. В качестве исходных компонентов используют порошок интерметаллического сплава Al12Mg17 со средним размером частиц не менее 15 мкм и порошок аморфного черного бора со средним размером частиц не менее 2 мкм в атомном соотношении 2:14, соответственно; механическую активацию полученной порошковой смеси проводят в планетарной мельнице в атмосфере аргона при скорости вращения барабанов 720÷840 об/мин и последующее спекание методом горячего прессования при давлении 30÷50 МПа и температуре не менее 1200 °C с выдержкой не менее 20 мин.

Выбор порошка интерметаллического сплава Al12Mg17 в качестве исходного компонента обусловлен тем, что в соответствии с диаграммой состояния фаза Al12Mg17 находится в эвтектической области, является хрупкой и легко подвергается механической активации в планетарной мельнице. Интерметаллический порошок Al12Mg17 значительно меньше подвержен окислению, чем отдельные порошки алюминия и магния. При использовании порошка Al12Mg17 в качестве исходного компонента во время спекания при формировании фазы AlMgB14 происходит прямое борирование интерметаллида Al12Mg17, что позволяет достигнуть увеличения содержанием целевой фазы AlMgB14, снизить содержание примеси MgAl2O4, и полностью исключить примеси Fe3O4, FeB49, Fe в конечном продукте - сверхтвердом керамическом материале на основе химического соединения AlMgB14.

Выбранный режим механической активации исходных компонентов позволяет снизить загрязненность конечного продукта примесными фазами MgAl2O4, FeB49, Fe и получить порошковую смесь субмикронного диапазона для лучшего спекания.

Условия спекания подобраны таким образом, чтобы конечный продукт имел плотность, близкую к теоретической, и, следовательно, высокую твердость, при этом, фазовый состав представлен фазой AlMgB14 с содержанием не менее 92 масс. %.

Примеры конкретного выполнения были реализованы с использованием оборудования Томского регионального центра коллективного пользования ТГУ (ТРЦКП)».

Пример 1. В качестве исходных компонентов используют порошок интерметаллического сплава Al12Mg17 со средним размером частиц 20 мкм, полученный из сплава алюминия-магния, и порошок аморфного черного бора (средний размер частиц - 2.1 мкм). Порошки Al12Mg17 и аморфного черного бора смешивают в атомном соотношении 2:14 соответственно и механически активируют в планетарной мельнице при скорости вращения барабанов 840 об/мин в атмосфере аргона до получения порошковой смеси со средним размером частиц 0.5 мкм. Полученную порошковую смесь помещают в графитовую матрицу диаметром 23 мм с подвижным верхним пуансоном для спекания методом горячего прессования. Затем осуществляют спекание полученной порошковой смеси. Давление прессования составляет 50 МПа, температура спекания - 1400 °C, время выдержки - 20 минут. Для определения содержания целевой фазы AlMgB14 в конечном продукте используют метод рентгенофазового анализа. Рентгенограмма керамического материала на основе AlMgB14, полученного настоящим способом, представлена на фигуре 1. Массовая доля фазы AlMgB14 составляет 98 %. Средняя твердость материала по Виккерсу составляет 27 ГПа, при максимальной твердости 32 ГПа. Условия осуществления способа и характеристика сверхтвердого керамического материала на основе AlMgB14 приведены в таблице.

Пример 2. Способ осуществляют, как описано в примере 1, но давление прессования составляет 30 МПа. Условия осуществления способа и характеристика сверхтвердого керамического материала на основе AlMgB14 приведены в таблице.

Пример 3. Способ осуществляют, как описано в примере 1, но активация порошковой смеси осуществляется при скорости вращения барабанов - 720 об/мин, а давление прессования составляет 40 МПа. Условия осуществления способа и характеристика сверхтвердого керамического материала на основе AlMgB14 приведены в таблице.

Пример 4. Способ осуществляют, как описано в примере 1, но активация порошковой смеси осуществляется при скорости вращения барабанов - 780 об/мин, а давление прессования составляет 40 МПа. Условия осуществления способа и характеристика сверхтвердого керамического материала на основе AlMgB14 приведены в таблице.

Пример 5. Способ осуществляют, как описано в примере 1, но температура горячего прессования составляет 1200 °C, а давление горячего прессования составляет 40 МПа. Условия осуществления способа и характеристика сверхтвердого керамического материала на основе AlMgB14 приведены в таблице.

Пример 6. Способ осуществляют, как описано в примере 1, но температура горячего прессования составляет 1300 °C, а давление горячего прессования составляет 40 МПа. Условия осуществления способа и характеристика сверхтвердого керамического материала на основе AlMgB14 приведены в таблице.

Пример 7. Способ осуществляют, как описано в примере 1, но давление горячего прессования составляет 40 МПа. Условия осуществления способа и характеристика сверхтвердого керамического материала на основе AlMgB14 приведены в таблице.

Таблица № примера Скорость вращения, об/мин. Давление прессования, МПа Температура прессования, °C Содержание
AlMgB₁₄/MgAl₂O
4/Al, масс. % Плотность материала, г/см³ 1 840 50 1400 98/-/2 2.53 2 840 30 1400 92/8/- 1.62 3 720 40 1400 92/5/5 1.71 4 780 40 1400 94/4/2 1.85 5 840 40 1200 96/1/3 1.41 6 840 40 1300 94/2/4 1.87 7 840 40 1400 96/4/- 2.15

Таким образом, предлагаемый способ позволяет увеличить содержание целевой фазы AlMgB14 до 98 %, снизить содержание примесной фазы MgAl2O4 и полностью исключить примеси FeB49, Fe, Fe3O4 в конечном продукте, что позволяет повысить качество конструкционных материалов и деталей из полученного предложенным способом сверхтвердого керамического материала на основе AlMgB14.

Изобретение относится к способам получения сверхтвердых керамических материалов, а именно к способам получения керамических материалов на основе AlMgB₁₄, и может быть использовано для изготовления конструкционных материалов и мишеней для магнетронного распыления покрытий, повышающих износостойкость режущих инструментов, деталей машин (валов, подшипников, шестерней), турбин, насосного оборудования и других износостойких, химически инертных деталей. Cпособ включает перемешивание порошков исходных компонентов, механическую активацию полученной порошковой смеси и последующее спекание методом горячего прессования. В качестве исходных компонентов используют порошок интерметаллического сплава Al₁₂Mg₁₇ со средним размером частиц не менее 15 мкм и порошок аморфного черного бора со средним размером частиц не менее 2 мкм в атомном соотношении 2:14 соответственно. Механическую активацию полученной порошковой смеси проводят в планетарной мельнице в атмосфере аргона при скорости вращения барабанов 720-840 об/мин. Спекание осуществляют методом горячего прессования при давлении 30-50 МПа и температуре не менее 1200 °C с выдержкой не менее 20 мин. Достигается увеличение содержания целевой фазы – AlMgB₁₄ в конечном продукте и снижение примесных фаз. 1 ил., 1 табл., 7 пр.

Способ получения керамического материала на основе AlMgB₁₄, включающий перемешивание порошков исходных компонентов, механическую активацию полученной порошковой смеси и последующее спекание методом горячего прессования, отличающийся тем, что в качестве исходных компонентов используют порошок интерметаллического сплава Al₁₂Mg₁₇ со средним размером частиц не менее 15 мкм и порошок аморфного черного бора со средним размером частиц не менее 2 мкм в атомном соотношении 2:14 соответственно, механическую активацию проводят в планетарной мельнице в атмосфере аргона при скорости вращения барабанов 720-840 об/мин, спекание осуществляют методом горячего прессования при давлении 30-50 МПа и температуре не менее 1200 °C с выдержкой не менее 20 мин.